Solarenergie - Baden-Württemberg
Solarenergie - Baden-Württemberg
Einleitung
Solarenergie - Baden-Württemberg verbindet Physik, Erneuerbare Energien, Energiewende und die Frage, wie Dächer in Städten und Gemeinden zur Stromerzeugung genutzt werden können. In diesem aiMOOC lernst Du, wie eine Solarzelle Licht direkt in elektrische Energie umwandelt, wie aus vielen Solarzellen eine Photovoltaikanlage entsteht und welche Rolle Dachflächen, Freiflächen und neue Formen wie Agri-Photovoltaik in Baden-Württemberg spielen.
Für Klasse 6 bis 8 reicht zunächst die Grundidee: Sonnenlicht trifft auf Solarzellen, dabei entsteht Gleichstrom, und ein Wechselrichter macht daraus den Wechselstrom, den Gebäude und Stromnetz nutzen. Ab Klasse 9 kannst Du Leistung, Energie und Ertrag berechnen. In der Oberstufe und Ausbildung kannst Du zusätzlich Halbleiterphysik, Systemtechnik, Netzintegration, Wirtschaftlichkeit und rechtliche Rahmenbedingungen untersuchen.
Baden-Württemberg gehört innerhalb Deutschlands zu den Regionen mit vergleichsweise günstiger solarer Einstrahlung. Wie gut ein bestimmtes Dach geeignet ist, hängt aber nicht nur von der Region ab. Entscheidend sind auch Ausrichtung, Neigung, Verschattung, nutzbare Fläche, Statik und die technische Einbindung in das Stromnetz.
Lernziele
Nach diesem aiMOOC kannst Du die Energieumwandlung in einer Photovoltaikanlage erklären, die Einheiten Watt, Kilowatt, Kilowattstunde und Kilowatt-Peak unterscheiden, einfache Ertragsrechnungen durchführen und ein Schuldach oder anderes Gebäude fachlich begründet einschätzen. Du kannst außerdem aktuelle Daten zur Photovoltaik in Baden-Württemberg einordnen und Chancen sowie Grenzen verschiedener PV-Flächen diskutieren.
Wie Photovoltaik funktioniert
Vom Photon zum elektrischen Strom
Eine Solarzelle besteht häufig aus Silizium, einem Halbleiter. Durch gezielte Dotierung entstehen Bereiche mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften. An ihrem Übergang bildet sich ein inneres elektrisches Feld. Trifft Licht mit ausreichend energiereichen Photonen auf das Material, können bewegliche Ladungsträger entstehen. Das innere elektrische Feld trennt positive und negative Ladungsträger. Wird ein äußerer Stromkreis angeschlossen, kann elektrischer Strom fließen.
Für jüngere Lernende kannst Du Dir die Kette so merken: Licht → Solarzelle → Gleichstrom → Wechselrichter → Wechselstrom. Für die Oberstufe ist wichtig, dass die Energie der Photonen mit den elektronischen Zuständen im Halbleiter zusammenhängt und dass die Ladungstrennung im pn-Übergang die nutzbare Spannung ermöglicht.
Von der Solarzelle zur Anlage
Eine einzelne Solarzelle liefert nur eine begrenzte Spannung und Leistung. Deshalb werden viele Zellen zu einem Solarmodul verbunden. Mehrere Module bilden einen String oder ein größeres Modulfeld. Der erzeugte Gleichstrom wird über Leitungen zum Wechselrichter geführt. Dieser wandelt Gleichstrom in netzgeeigneten Wechselstrom um. Je nach Anlage kommen Zähler, Schutztechnik, Energiemanagement und ein Batteriespeicher hinzu.
Ein Batteriespeicher erzeugt selbst keine Energie. Er verschiebt einen Teil der Solarenergie zeitlich: Strom vom Mittag kann beispielsweise am Abend genutzt werden. Dadurch kann der Eigenverbrauch steigen. Gleichzeitig entstehen Speicherverluste, zusätzliche Kosten und ein weiterer Materialbedarf.
Leistung, Energie und Ertrag
In der Physik ist die Unterscheidung zwischen Leistung und Energie zentral. Die elektrische Leistung kann mit beschrieben werden. Dabei ist die Spannung und die Stromstärke. Für eine konstante Leistung gilt näherungsweise . Eine Leistung von 1 Kilowatt, die eine Stunde lang abgegeben wird, entspricht 1 Kilowattstunde Energie.
Bei PV-Anlagen wird die Nennleistung häufig in kWp angegeben. Das „p“ steht für „peak“ und bezeichnet die Leistung unter festgelegten Prüfbedingungen. Der reale Ertrag in kWh hängt dagegen vom Wetter, vom Sonnenstand, von der Temperatur, von Verschattung und von Systemverlusten ab.
Beispielrechnung: Angenommen, eine 8-kWp-Anlage erreicht in einem Rechenmodell einen spezifischen Jahresertrag von 950 kWh pro kWp. Dann ergibt sich kWh pro Jahr. Dieser Wert ist ein Modellbeispiel und keine Garantie für ein bestimmtes Dach.
Dächer als Solarkraftwerke
Was macht ein Dach geeignet?
Für eine erste Dachanalyse prüfst Du die nutzbare Fläche, Himmelsrichtung, Dachneigung und Verschattung. Auch Dachfenster, Gauben, Lüftungsanlagen, Sicherheitsabstände und die Tragfähigkeit des Daches können die belegbare Fläche begrenzen. Auf Flachdächern werden Module häufig aufgeständert. Auf geneigten Dächern können sie meist parallel zur Dachfläche montiert werden.
Das Foto zeigt eine Photovoltaikanlage auf einem Dach im Heidelberger Stadtteil Neuenheim in Baden-Württemberg. Solche Anlagen nutzen bereits versiegelte beziehungsweise bebaute Flächen und erzeugen Strom nahe am Verbrauchsort.
Verschattung und Ausrichtung
Ein Schatten von Bäumen, Nachbargebäuden, Schornsteinen oder technischen Aufbauten kann den Ertrag verringern. Wie stark die Auswirkung ist, hängt vom Zeitpunkt, von der verschatteten Modulfläche und von der elektrischen Verschaltung ab. Moderne Anlagen können mit geeigneter Stringplanung und Leistungselektronik Verluste begrenzen, aber nicht vollständig aufheben.
Eine reine Südausrichtung ist nicht die einzige sinnvolle Lösung. Ost-West-Anlagen können ihre Leistung stärker über den Vor- und Nachmittag verteilen. Für Schulen kann das interessant sein, weil tagsüber Strom für Beleuchtung, IT, Mensa, Lüftung oder Werkstätten benötigt wird. Die beste Auslegung ist deshalb nicht nur eine Frage des maximalen Jahresertrags, sondern auch des zeitlichen Verbrauchsprofils.
Schuldach als Lernlabor
Ein Schuldach kann gleichzeitig Energieanlage und Lernort sein. Messdaten eines Wechselrichters oder Energiemanagementsystems lassen sich im Unterricht auswerten. Du kannst Tagesgänge vergleichen, den Einfluss von Bewölkung untersuchen, Monatswerte darstellen oder prüfen, wie viel des erzeugten Stroms direkt im Gebäude genutzt wird.
Für eine Projektarbeit kannst Du aus Luftbildern und Bauplänen zunächst eine grobe Modulfläche abschätzen. Danach vergleichst Du Deine Schätzung mit einem Solardachkataster oder professionellen Planungsdaten. Wichtig ist: Eine schulische Abschätzung ersetzt keine statische, elektrotechnische oder baurechtliche Fachplanung.
Solarenergie in Baden-Württemberg
Datenstand 2025/2026
Das Umweltministerium Baden-Württemberg gibt für das Jahr 2025 rund 11,4 Terawattstunden Photovoltaikstrom an. Das entsprach 28,2 Prozent der Bruttostromerzeugung des Landes. Diese Zahl beschreibt die tatsächlich ausgewiesene Stromerzeugung aus Photovoltaik im Land und eignet sich deshalb zur Einordnung der Bedeutung der Technologie im Strommix.
Der Energieatlas Baden-Württemberg weist für 2025 851.960 PV-Dachanlagen mit zusammen 11.586 Megawatt installierter Leistung aus. Für diese Dachanlagen wird ein rechnerischer Jahresertrag von rund 11.586 Gigawattstunden angegeben. Die Formulierung „rechnerisch“ ist wichtig: Modellierte Erträge und statistisch erfasste tatsächliche Stromerzeugung sind unterschiedliche Größen und dürfen nicht unkritisch gleichgesetzt werden.
Für Freiflächen nennt der Energieatlas 2025 4.932 Anlagen mit zusammen 1.996 Megawatt installierter Leistung. Ihr rechnerischer Jahresertrag liegt bei rund 2.000 Gigawattstunden. Dach- und Freiflächenanlagen ergänzen sich, unterscheiden sich aber bei Flächennutzung, Planung, Netzanschluss und möglichen Umweltwirkungen.
Das Land verfolgt langfristig einen starken weiteren PV-Ausbau. Im Energieatlas wird für 2040 eine installierte PV-Gesamtleistung von 47,2 GWp als Ausbauziel genannt. Für Lernaufgaben solltest Du Zahlen immer mit Jahr und Quelle notieren, weil sich Anlagenbestand, Stromerzeugung und gesetzliche Regeln verändern.
Dachpotenzial und Datenkompetenz
Der Energieatlas schätzt das technische Potenzial für Dach-Photovoltaik in Baden-Württemberg auf rund 61.500 Megawatt. Diese Potenzialabschätzung und der aktuelle Anlagenbestand beruhen jedoch nicht vollständig auf demselben Datenstand. Deshalb wäre es methodisch falsch, aus beiden Zahlen ohne weitere Prüfung einen exakt aktuellen „Nutzungsanteil“ zu berechnen.
Gerade im Physik- und Geographieunterricht ist das eine wichtige Kompetenz: Prüfe bei jeder Zahl, was gemessen oder modelliert wurde, für welches Jahr sie gilt und welche Annahmen dahinterstehen.
Photovoltaikpflicht in Baden-Württemberg
Baden-Württemberg führte als erstes Bundesland eine landesweite Photovoltaikpflicht ein. Für den Neubau offener Parkplätze mit mehr als 35 Stellplätzen und für neue Nichtwohngebäude greift sie bei den maßgeblichen Vorhaben seit dem 1. Januar 2022. Für neue Wohngebäude gilt sie seit dem 1. Mai 2022. Seit dem 1. Januar 2023 gilt sie außerdem bei grundlegenden Dachsanierungen von Bestandsgebäuden, sofern die gesetzlichen Voraussetzungen erfüllt sind.
Die Pflicht bedeutet nicht, dass jedes Dach unabhängig von seiner Eignung vollständig mit Modulen belegt werden muss. Die Verordnung definiert, wann Flächen als zur Solarnutzung geeignet gelten, und enthält Regeln zu Umfang, Ausnahmen und Ersatzmaßnahmen. Für konkrete Bauvorhaben zählt immer der aktuelle Rechtsstand.
Mehr als Dächer: Freiflächen und Agri-Photovoltaik
Freiflächenanlagen können große Leistungen bereitstellen, beanspruchen aber Raum und müssen deshalb mit Landwirtschaft, Naturschutz, Landschaftsbild, Netzanschluss und kommunaler Planung abgestimmt werden. Eine besondere Form ist die Agri-Photovoltaik. Dabei wird eine Fläche gleichzeitig landwirtschaftlich und zur Stromerzeugung genutzt.
In Heggelbach in Baden-Württemberg wurde eine Agri-PV-Versuchsanlage des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE betrieben. Das Beispiel zeigt, wie Forschung untersucht, ob Pflanzenbau und Solarstrom auf derselben Fläche sinnvoll kombiniert werden können.
Auch Parkplätze, Fassaden, Lärmschutzanlagen oder Baggerseen können für besondere PV-Anwendungen infrage kommen. Solche Konzepte erweitern die verfügbare Fläche, stellen aber jeweils eigene Anforderungen an Konstruktion, Sicherheit, Ökologie und Wirtschaftlichkeit.
Stromnetz, Speicher und Verbrauch
Photovoltaik liefert Strom abhängig von Tageszeit und Wetter. Nachts ist die Erzeugung null, an sonnigen Mittagen kann sie hoch sein. Ein Stromsystem mit viel Photovoltaik braucht deshalb ein Zusammenspiel aus Netzen, Speichern, steuerbaren Verbrauchern, anderen erneuerbaren Energien und regionalem beziehungsweise überregionalem Ausgleich.
Für ein Schulgebäude ist der Eigenverbrauch besonders interessant: Wenn Unterricht, Server, Küche oder Lüftung genau dann Strom benötigen, wenn die PV-Anlage produziert, kann Solarstrom direkt vor Ort genutzt werden. Überschüsse können ins Netz eingespeist oder teilweise gespeichert werden.
Chancen und Grenzen
Photovoltaik erzeugt im Betrieb Strom ohne Verbrennung fossiler Brennstoffe und ist ein zentraler Baustein der Energiewende. Dachanlagen nutzen bereits bebaute Flächen. Gleichzeitig benötigen Herstellung, Transport, Montage, Netztechnik und Recycling Rohstoffe und Energie. Auch bei Freiflächenanlagen müssen Boden, Artenvielfalt und Landschaft berücksichtigt werden.
Deshalb ist die beste Leitfrage nicht „Ist Photovoltaik gut oder schlecht?“, sondern: Wie kann eine Anlage technisch sinnvoll, ökologisch verantwortungsvoll und sozial verträglich geplant werden? Genau diese Abwägung verbindet Physik mit Technik, Politik, Wirtschaft und Umweltbildung.
Quellen und Datenstand
- Umweltministerium Baden-Württemberg: Photovoltaik, Stand 15.04.2026, insbesondere Stromerzeugung 2025.
- Energieatlas Baden-Württemberg: Dach-Photovoltaik, Bestands- und Potenzialdaten.
- Energieatlas Baden-Württemberg: Freiflächen-Photovoltaik, Bestandsdaten 2025.
- Energieatlas Baden-Württemberg: Ausbau und Potenzial der Photovoltaik, Ausbauziel bis 2040.
- Umweltministerium Baden-Württemberg: FAQ zur Photovoltaikpflicht, Stand 17.04.2026.
- Photovoltaik und Solarenergie als vertiefende Überblicksthemen.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was wandelt eine Photovoltaikanlage direkt in elektrische Energie um? (Sonnenlicht) (!Wind) (!Erdwärme) (!Biomasse)
Welche Stromart entsteht zunächst in einer Solarzelle? (Gleichstrom) (!Drehstrom) (!Wechselstrom) (!Blindstrom)
Welche Aufgabe hat der Wechselrichter in einer netzgekoppelten PV-Anlage? (Er wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um) (!Er erzeugt Sonnenlicht) (!Er ersetzt alle Solarmodule) (!Er misst nur die Dachfläche)
Welche Einheit beschreibt elektrische Energie? (Kilowattstunde) (!Kilowatt-Peak) (!Volt pro Meter) (!Ampere pro Sekunde)
Was kann den Ertrag einer Dachanlage deutlich verringern? (Verschattung) (!Eine freie Sicht zum Himmel) (!Ein funktionierender Wechselrichter) (!Ein vorhandener Stromzähler)
Wie viel Photovoltaikstrom wurden für Baden-Württemberg im Jahr 2025 angegeben? (Rund 11,4 Terawattstunden) (!Rund 1,14 Gigawattstunden) (!Rund 114 Megawattstunden) (!Rund 0,114 Kilowattstunden)
Welchen Anteil hatte Photovoltaik 2025 an der Bruttostromerzeugung Baden-Württembergs? (28,2 Prozent) (!2,82 Prozent) (!82,2 Prozent) (!100 Prozent)
Seit wann gilt die Photovoltaikpflicht in Baden-Württemberg auch bei grundlegenden Dachsanierungen? (Seit 1. Januar 2023) (!Seit 1. Januar 2018) (!Seit 1. Mai 2020) (!Seit 1. Januar 2030)
Was kennzeichnet Agri-Photovoltaik? (Landwirtschaft und Stromerzeugung nutzen dieselbe Fläche) (!Solarzellen werden nur in Kellern installiert) (!Module ersetzen das Stromnetz vollständig) (!Es wird ausschließlich Wärme erzeugt)
Welche Aussage über einen Batteriespeicher ist richtig? (Er verschiebt einen Teil der Solarenergie zeitlich) (!Er erzeugt nachts Sonnenlicht) (!Er erhöht die Sonneneinstrahlung) (!Er macht Module überflüssig)
Memory
| Solarzelle | Licht wird direkt in elektrische Energie umgewandelt |
| Wechselrichter | Gleichstrom wird in Wechselstrom umgewandelt |
| Kilowattstunde | Einheit für elektrische Energie |
| Kilowatt-Peak | Nennleistung einer Photovoltaikanlage |
| Verschattung | Kann den Solarertrag verringern |
| Agri-Photovoltaik | Landwirtschaft und Stromerzeugung auf derselben Fläche |
| Batteriespeicher | Zeitliche Verschiebung von Solarstrom |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Thema |
|---|---|
| Solarzelle | Direkte Umwandlung von Licht in Gleichstrom |
| Solarmodul | Zusammenschaltung vieler Solarzellen |
| Wechselrichter | Umwandlung in netzgeeigneten Wechselstrom |
| Stromzähler | Erfassung bezogener oder eingespeister elektrischer Energie |
| Batteriespeicher | Zeitversetzte Nutzung eines Teils der erzeugten Energie |
Kreuzworträtsel
| Silizium | Welcher Halbleiter wird häufig für Solarzellen verwendet? |
| Modul | Wie heißt die Einheit aus mehreren elektrisch verbundenen Solarzellen? |
| Wechselrichter | Welches Gerät wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um? |
| Schatten | Was kann den Ertrag einer PV-Anlage deutlich reduzieren? |
| Speicher | Was kann Solarstrom für eine spätere Nutzung zwischenspeichern? |
| Heggelbach | Wie heißt der baden-württembergische Ort des dargestellten Agri-PV-Forschungsprojekts? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Solarenergie beobachten: Fotografiere an einem sonnigen Tag drei verschiedene Orte, an denen Solarenergie genutzt werden könnte, und begründe Deine Auswahl.
- PV-Komponenten erklären: Erstelle ein beschriftetes Schaubild mit Solarzelle, Modul, Wechselrichter, Zähler und Stromnetz.
- Dachcheck Schule: Untersuche vom Boden aus, welche Teile des Schuldachs möglicherweise verschattet sind. Betritt keine Dachflächen.
- Energietagebuch: Notiere eine Woche lang, zu welchen Tageszeiten Deine Schule vermutlich besonders viel Strom benötigt, und vergleiche dies mit dem Sonnenstand.
Standard
- Ertragsrechnung: Entwickle für eine fiktive 10-kWp-Schulanlage drei Szenarien mit unterschiedlichen spezifischen Jahreserträgen und vergleiche die Ergebnisse.
- Solardachkataster: Nutze den Energieatlas Baden-Württemberg, untersuche ein öffentliches Gebäude in Deiner Gemeinde und dokumentiere, welche Angaben das Kartenwerk liefert.
- Messdaten auswerten: Besorge nach Möglichkeit reale PV-Daten Deiner Schule oder eines kommunalen Gebäudes und stelle einen Tages- oder Monatsverlauf grafisch dar.
- Interview Energiewende: Befrage eine Fachkraft aus Handwerk, Kommune, Energieagentur oder Stadtwerk zu Planung, Netzanschluss und Wartung einer PV-Anlage.
Schwer
- Eigenverbrauch modellieren: Vergleiche für ein Schulgebäude den zeitlichen Stromverbrauch mit einer angenommenen PV-Erzeugung und entwickle Ideen zur Erhöhung des Eigenverbrauchs.
- Dach oder Freifläche: Erstelle eine Kriterienmatrix und bewerte Dach-PV, Freiflächen-PV und Agri-PV hinsichtlich Ertrag, Flächennutzung, Ökologie, Kosten und Akzeptanz.
- Photovoltaikpflicht analysieren: Untersuche anhand aktueller offizieller Quellen einen fiktiven Neubau oder eine Dachsanierung und erkläre, welche Fragen zur PV-Pflicht geklärt werden müssen.
- Schulprojekt Solarstrom: Entwickle ein Konzept für eine PV-Erweiterung an Deiner Schule mit Lageplan, überschlägiger Leistung, Nutzung des Stroms, Sicherheitsaspekten und Präsentation für die Schulgemeinschaft.
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Lernkontrolle
- Systemdenken Photovoltaik: Erkläre, warum eine Verdopplung der installierten Modulleistung nicht in jeder realen Situation automatisch exakt den doppelten nutzbaren Jahresstrom für ein Gebäude bedeutet.
- Dachbewertung: Zwei Schuldächer haben dieselbe Fläche. Dach A ist teilweise verschattet und nach Süden geneigt, Dach B ist unverschattet und als Ost-West-Flachdach geplant. Entwickle Kriterien für eine faire Bewertung und begründe, welche zusätzlichen Daten Du brauchst.
- Netzintegration: Begründe, warum ein Stromsystem trotz vieler PV-Anlagen weiterhin Netze, Speicher, flexible Verbraucher oder ergänzende Erzeugung benötigt.
- Datenkritik: Vergleiche die Angabe „11,4 TWh tatsächliche PV-Stromerzeugung“ mit einem „rechnerischen Jahresertrag“ aus einem Potenzial- oder Bestandsmodell. Erkläre, warum beide Zahlen nicht dasselbe bedeuten.
- Flächennutzung: Entwickle eine begründete Entscheidung, ob eine Kommune zuerst Schuldächer, Parkplätze, Gewerbedächer oder Freiflächen für neue PV-Projekte untersuchen sollte.
- Transfer Energiewende: Zeige an einem selbst gewählten Beispiel, wie Physik, Technik, Recht, Wirtschaft und Umweltfragen bei einem Photovoltaikprojekt zusammenwirken.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis zu diesem Thema solltest Du zeigen, dass Du die physikalische Energieumwandlung in einer Solarzelle verständlich erklären kannst, die wichtigsten Komponenten einer PV-Anlage kennst und Leistung von Energie unterscheiden kannst. Wichtig ist außerdem, dass Du einfache Rechnungen mit kW, kWp, kWh und Zeit sicher ausführst, Dachfaktoren wie Ausrichtung und Verschattung beurteilst und Daten mit Quelle sowie Datenstand angibst.
Ein guter Lernnachweis zeigt nicht nur Faktenwissen. Du solltest auch begründen können, warum Dach-PV, Freiflächen-PV, Speicher und Stromnetz unterschiedliche Funktionen haben, warum Modellwerte von realer Stromerzeugung abweichen können und wie Du bei Zielkonflikten zu einer nachvollziehbaren Bewertung kommst.
OERs zum Thema
- Energieatlas Baden-Württemberg: Karten und Daten zu erneuerbaren Energien im Land.
- Wikimedia Commons: Freie Medien zu Photovoltaikanlagen in Baden-Württemberg.
- Umweltministerium Baden-Württemberg: Aktuelle Informationen zur Photovoltaik und zur Photovoltaikpflicht.
Verknüpfte Lernbereiche